La fabbricazione e la riparazione di alberi, ingranaggi, forgiati e molte altre applicazioni di attrezzature pesanti richiedono materiali che possano resistere a condizioni difficili e impegnative. In questi casi, gli acciai a bassa lega AISI/SAE 4130 e 4140 sono spesso utilizzati perché la loro composizione chimica permette di essere trattati termicamente per raggiungere un’elevata resistenza alla trazione e durezza. Le specifiche AISI/SAE 4130 e 4140 si riferiscono solo a una gamma di composizione chimica, invece di entrambe le gamme di composizione chimica e proprietà meccaniche. Sia il 4130 che il 4140 hanno carbonio, cromo (dallo 0,80% all’1,15%) e molibdeno (dallo 0,15% allo 0,25%) come elementi di lega primari. Differiscono leggermente nel loro contenuto di carbonio: Il 4130 ha uno 0,3% nominale di carbonio, mentre il 4140 ha uno 0,4% nominale. La resistenza di entrambi i materiali può cambiare notevolmente a seconda del trattamento termico che è stato eseguito: ricottura, normalizzazione o tempra e rinvenimento. La tempra alla fiamma può essere usata per indurire ulteriormente l’esterno di questi materiali, mantenendo l’interno relativamente morbido.
La loro forza rende gli acciai 4130 e 4140 adatti a componenti come gli ingranaggi che richiedono alta resistenza e durata. Tuttavia, i livelli più alti di carbonio, cromo e molibdeno che rendono questi materiali forti e altamente temprabili li rendono anche più suscettibili alla rottura. Considerate le sfide comuni e le migliori pratiche per la saldatura degli acciai 4130 e 4140, sia nella nuova fabbricazione che nella saldatura di riparazione, e come il giusto metallo d’apporto può aiutare a garantire il successo.
PUNTI PER SALDARE ACCIAI 4130 E 4140
Molte delle sfide e delle migliori pratiche per la saldatura degli acciai 4130 e 4140 sono le stesse se l’applicazione comporta la saldatura di materiale nuovo o la riparazione. Considerate questi sei passi importanti quando saldate o riparate 4130 e 4140:
- Identificate il trattamento termico. La nuova fabbricazione è tipicamente eseguita su materiale allo stato ricotto o normalizzato. Non è raccomandato saldare l’acciaio 4130 o 4140 in condizioni di tempra o di cementazione senza prima eseguire la ricottura o la normalizzazione nell’area da saldare.
- Selezionare un metallo d’apporto. La scelta del metallo d’apporto appropriato per gli acciai 4130 e 4140 dipende dalle condizioni del materiale prima della saldatura, dai requisiti di progettazione del componente e dalle condizioni desiderate del materiale dopo la saldatura. Per il materiale lasciato nelle condizioni come-saldato o post-saldato, la corrispondenza della resistenza alla trazione del metallo base come fornito è un fattore determinante comune durante la selezione del metallo d’apporto. È tipico usare un metallo d’apporto a bassa lega che non condivide la composizione chimica del materiale di base 4130/4140, ma che fornisce ancora proprietà meccaniche adatte sia per le condizioni di saldatura che di trattamento termico post-saldatura (PWHT). Tuttavia, se un componente deve essere riparato numerose volte nel corso della sua vita – con ogni riparazione che richiede un ciclo di distensione post-saldatura – assicurarsi che il metallo d’apporto continuerà a fornire le proprietà meccaniche desiderate dopo il tempo totale di distensione.
Sotto-equiparazione della resistenza a trazione del metallo base 4130 e 4140 – scegliendo un metallo d’apporto che è più debole del metallo base – permette di migliorare la duttilità del metallo di saldatura e la vita a fatica, ma può non permettere alla saldatura di resistere alle alte sollecitazioni richieste dal progetto di un particolare componente. Sovrapporre la resistenza alla trazione delle saldature 4130 e 4140 – scegliendo un metallo d’apporto più forte del metallo di base – non è tipicamente raccomandato, poiché la resistenza alla trazione aggiuntiva è correlata a una perdita di duttilità che può aumentare ulteriormente la suscettibilità alle cricche del metallo di saldatura. Le saldature che devono essere ricotte o normalizzate dopo la saldatura possono beneficiare di un metallo d’apporto 4130 o 4140, rispettivamente. Anche se i metalli d’apporto 4130 e 4140 producono un deposito saldato fragile, la microstruttura “resettata” offerta dalla ricottura o dalla normalizzazione ripristina la duttilità sia del metallo saldato che del metallo di base colpito dal calore.
Le saldature che devono essere temprate e rinvenute dopo la saldatura richiedono l’uso di un metallo d’apporto 4130 o 4140, poiché la maggior parte dei metalli d’apporto a bassa lega di sufficiente resistenza alla trazione non hanno il carbonio necessario per rispondere adeguatamente dopo un’opzione di tempra e rinvenimento. - Applicare il preriscaldo. La maggiore temprabilità degli acciai 4130 e 4140 aumenta la facilità con cui si forma una microstruttura dura e fragile nella zona colpita dal calore o nel metallo saldato diluito dopo la saldatura. Il preriscaldamento è necessario per ottenere saldature coerenti e di alta qualità. Stabilire e mantenere una temperatura minima di preriscaldamento e interpass rallenta la velocità di raffreddamento della saldatura e del metallo base per prevenire o minimizzare la formazione di microstrutture fragili. Assicurare un preriscaldamento adeguato usando temperature sufficienti, in genere da 550 a 800 gradi F quando si saldano componenti spessi, e riscaldando attraverso l’intero spessore del materiale di base, piuttosto che raggiungere la temperatura solo sulla superficie. L’uso del riscaldamento a induzione può aiutare a raggiungere in modo efficiente un riscaldamento adeguato in tutta la parte. Inoltre, assicurarsi di stabilire la temperatura di preriscaldamento a una distanza sufficiente dal giunto di saldatura, in genere un minimo di tre pollici in tutte le direzioni. Le saldature più grandi possono beneficiare di un’area di preriscaldamento ancora maggiore intorno al giunto di saldatura.
- Eseguire la saldatura. Simile al preriscaldamento e alla temperatura di interpass, quando l’apporto di calore è troppo basso può accelerare la velocità di raffreddamento della saldatura fino al punto in cui si formano microstrutture fragili, che danneggiano la duttilità e la tenacità. L’apporto di calore viene aumentato aumentando la tensione e l’amperaggio e riducendo la velocità di avanzamento. Considerare gli effetti di queste variabili quando si sviluppa una procedura di saldatura per unire gli acciai 4130 e 4140.
- Raffreddamento lento. Mantenere la saldatura alla temperatura di preriscaldamento per un po’ di tempo dopo la saldatura, seguita dalla copertura della saldatura con un isolamento in ceramica, è vantaggioso perché questo permette la diffusione dell’idrogeno dal metallo saldato e dalla zona termicamente alterata (HAZ). Si raccomanda un tempo di attesa da 30 minuti a un’ora per un pollice di spessore del materiale di base. Questo processo è informalmente noto come bake-out dell’idrogeno, ed è diverso dalla distensione post-saldatura.
- Applicare il trattamento termico post-saldatura. Il trattamento termico post-saldatura può aiutare ad alleviare le tensioni create dalla saldatura che possono contribuire alla formazione di cricche nella saldatura finita. Il rilascio di queste tensioni residue può anche essere utile prima della lavorazione per aiutare a mantenere tolleranze strette. I materiali sottili (meno di 1/8 di spessore) in genere non richiedono lo scarico delle tensioni perché la criccatura è meno preoccupante. I materiali più spessi sono comunemente alleggeriti a 1.050 gradi F – 1.250 gradi F per circa un’ora per ogni pollice di spessore del materiale di base. Come detto prima, considerare sempre i tempi e la temperatura di un trattamento termico post-saldatura – sia PWHT, ricottura, normalizzazione, o tempra e rinvenimento – per assicurare che il metallo d’apporto da usare fornirà o manterrà adeguate proprietà meccaniche.
TIPS FOR REPAIRING 4130 AND 4140 STEEL
Riparare l’acciaio 4130 o 4140 è spesso più complicato della nuova fabbricazione con questi materiali poiché il componente da riparare può essere usurato, grasso o sporco. Può anche essere più difficile raccogliere informazioni sul trattamento termico precedente del materiale. Consultate sempre le informazioni sull’equipaggiamento originale per avere una guida e per comprendere meglio i trattamenti termici o i requisiti di progettazione del componente. È particolarmente importante identificare come il pezzo è stato trattato termicamente – se è ricotto, normalizzato, temprato e rinvenuto o indurito alla fiamma – prima di completare una riparazione. Una parte che è stata temprata e rinvenuta, per esempio, è tipicamente meno duttile e più sensibile alle cricche, il che la rende molto più difficile da riparare. In questi casi, la ricottura localizzata o la normalizzazione intorno alla saldatura prima della riparazione può aiutare, ma bisogna essere consapevoli che questo influisce sulla resistenza del materiale. Se la durezza della superficie era una considerazione primaria, potrebbe essere necessario un prodotto per la tempra. Se è necessario ripristinare la resistenza del materiale di base, esso può essere condizionato di nuovo usando il trattamento termico dopo la riparazione.
Preparare correttamente il materiale prima della riparazione aiuta anche a garantire un’alta qualità della saldatura. La saldatura su olio o grasso può contribuire alla porosità del metallo saldato e all’idrogeno diffusibile nel deposito di saldatura, aumentando il potenziale di cricche indotte dall’idrogeno. Rimuovere semplicemente l’olio e il grasso visibili può non essere sufficiente. Invece, considerare lo sgrassaggio a vapore per rimuovere i contaminanti intrappolati in profondità nei pori del materiale di base aperti dalle temperature elevate. Ecco alcuni suggerimenti aggiuntivi per due tipi specifici di riparazione:
- Riparazione delle crepe: Indipendentemente dal materiale di base, la riparazione delle crepe è complicata. Le riparazioni spesso soffrono di un maggiore vincolo del giunto che introduce uno stress aggiuntivo e aumenta il rischio di fessurazione. Prima di tentare le riparazioni, eseguire un’ispezione con liquidi penetranti (PT) o con particelle magnetiche (MT) per identificare l’intera estensione della crepa. Rimuovere l’area incrinata usando la molatura o un processo di scriccatura ad arco. L’area rimossa dovrebbe formare un’ampia “V” o “U” per aiutare a prevenire la mancanza di fusione o cricche di solidificazione durante la saldatura. Usare il preriscaldamento quando si esegue qualsiasi processo di scriccatura ad arco per le stesse ragioni per cui si usa il preriscaldamento durante la saldatura. Per minimizzare il rischio che una cricca esistente continui a propagarsi durante una riparazione, forare entrambe le estremità della cricca. Prima di saldare, assicurarsi che la cricca sia stata completamente rimossa, sempre con PT o MT. Dopo questa lunga preparazione, la saldatura può finalmente iniziare.
- Ricostruzione e sovrapposizione: Questo tipo di riparazione si riferisce al ripristino dei componenti alle loro dimensioni originali e, nel caso della sovrapposizione, all’applicazione di un deposito che fornisce una durezza paragonabile a quella che si può ottenere dalla tempra o dalla cementazione. Per completare con successo queste riparazioni, considerare i metalli d’apporto build-up e overlay. I prodotti di ricopertura tendono ad essere più duri dei prodotti da ricostruzione, ma spesso hanno limiti di spessore, mentre i prodotti da ricostruzione in genere no. Questo significa che quando si usano i prodotti overlay oltre un certo numero di strati, il deposito di saldatura non ha una buona duttilità e può essere sensibile alle crepe o semplicemente scheggiarsi dal metallo di base. I prodotti di build-up sono usati per riportare un prodotto alla dimensione quando lo spessore da ripristinare supera quello consentito per un prodotto di copertura.
PENSIERI DI CHIUSURA
A causa dell’elevata temprabilità degli acciai 4130 e 4140, la selezione del metallo d’apporto, il controllo dell’idrogeno e la velocità di raffreddamento sono considerazioni critiche per ottenere i migliori risultati. Per assicurare il successo nelle applicazioni di saldatura di attrezzature pesanti:
- Verificare tutti i requisiti di progettazione e il trattamento termico del materiale di base prima della saldatura.
- Scegliere un metallo d’apporto che fornisca proprietà meccaniche sufficienti per le parti lasciate nelle condizioni di saldatura o di distensione.
- Scegliere un metallo d’apporto che corrisponda alla chimica del metallo base per i componenti che devono essere ricotti, normalizzati o sottoposti a tempra e rinvenimento dopo la saldatura.
- Selezionare un apporto termico minimo e una temperatura di preriscaldamento/interpassaggio per aiutare a rallentare la velocità di raffreddamento della saldatura.